Распределение и динамика фитомассы и ее годичного прироста в лесном покрове Оренбургской области

Актуальность темы

Идея устойчивого развития имеет глубокие исторические корни и отражает глубочайший кризис непрерывного технического прогресса, возникший в результате либерально-демократических воззрений на человечество. Выделяют два естественных процесса и один искусственный, которые обусловлены развитием цивилизации и фактически определяют будущее нашей планеты (Писаренко, Страхов, 2006). Один из естественных процессов был предвиден еще в начале XVIII в.: исчерпание ограниченных и неравномерно распределенных по географическим причинам природных ресурсов, необходимых для существования экономических систем, создаваемых людьми. Другой естественный процесс стал очевиден только к середине XX в.: размещение всех видов отходов жизнедеятельности человека, включая промышленное производство, в окружающей природной среде. Оба процесса имеют непрерывный и взаимосвязанный характер, т. е. ведут к неустойчивости развития и экологических, и экономических систем.

Поэтому необходима государственная экологическая политика, направленная на обеспечение экологической безопасности населения, сохранение и воспроизводство естественных экосистем и природных комплексов, эффективное экологически безопасное природопользование, обеспечение национальных интересов при решении глобальных экологических проблем и др. (Лопатин, Исаев, Кузьмин, 2005).

Доминирование либерально-демократических ценностей в современном мире привело к тому, что главной целью экономического развития стало удовлетворение всех материальных запросов человека для обеспечения роста качества его жизни, которое оценивают в первую очередь количеством потребляемой им энергии.

Стратегической задачей теплоэнергетики в России является диверсификация структуры топливно-энергетического баланса для обеспечения безопасности и устойчивости энергоснабжения. Ожидается дальнейший рост цен на энергию, топливо, ГСМ, который приведет к повышению производственных затрат предприятий и затрат на приобретаемые услуги, в первую очередь транспортные. В данной ситуации нужна соответствующая долгосрочная политика использования древесного биотоплива.

При любом способе энергетического применения биомассы как возобновляемого источника энергии сохраняются природные ресурсы, кардинально решается проблема выбросов СОг (парниковых газов), уменьшается загрязнение атмосферы. Улучшение экологической ситуации при энергетическом использовании биомассы связано прежде всего с уменьшением доли их сжигания и гниения в отвалах.

При управляемом сжигании биомасса — важный источник энергии для многих отраслей промышленности как в индустриальных, так и в развивающихся странах. Ежегодный воспроизводимый потенциал биомассы оценивается в 10 раз выше мировой добычи полезных ископаемых. Экономически оправданное использование растительного топлива позволит удовлетворить 26% мировой энергетической потребности.

С точки зрения обязательств по Киотскому протоколу Рамочной конвенции ООН об изменении климата образующийся при производстве энергии из биотоплива углекислый газ не относится к парниковым газам, так как биомасса и продукты ее сгорания рассматриваются как часть природного углеродного цикла.

Киотский протокол четко определил магистральное развитие мировой-энергетики — от невозобновляемых источников к возобновляемым и фактически определил направление развития лесопользования и деревоперера-ботки исходя из целей достижения глобального баланса атмосферного углерода и снижения парникового эффекта атмосферы. Это значит, что в России пришло время переходить к разработке и реализации региональных стратегий комплексного использования лесных ресурсов и реализации принципов Киотского протокола по предотвращению глобального изменения климата (Писаренко, Страхов, 2006).

Поскольку основную часть потенциального биотоплива составляет фитомасса лесного покрова, необходимо в первую очередь знать ресурсы лесной фитомассы и их распределение на покрытой лесом площади страны. Поскольку фитомасса и органический углерод являются по существу синонимами и связаны стабильным соотношением 2: 1, то оценка биологической продуктивности лесов означает и оценку их углерододепонирую-щей способности.

Однако вследствие чрезвычайного дефицита информации о фактических запасах фитомассы лесов во всем их многообразии, некорректных экст-раполяций и несовершенства применяемых методик точность имеющихся оценок ежегодно депонируемого в лесной фитомассе углерода совершенно неприемлема для целей прогнозирования глобальной экологической ситуации. Как в 1960;е годы эти оценки на планетарном уровне различались на порядок, варьируя в пределах от 4 (Mtiller, 1960) до 41 Гт (Deevey, 1960), так и спустя 30 лет, снизившись по общему уровню вчетверо, они тем не менее сохранили десятикратный перепад, от 1 (Krauchi, 1993) до ЮГт (Global., 1991). Последняя оценка углеродного стока в наземные экосистемы составляет 2,9 Гт/год (Залиханов и др., 2006).

Для лесов России оценки также неоднозначны и по данным разных исследователей варьируют по углеродному пулу от 28 до 50 Гт (Kurbanov, 2000), и по годичному стоку углерода в лесные экосистемы от 58 до 429 Мт (Залиханов и др., 2006). Соответственно остаются неопределенными и оценки относительного нетто-стока СОг в лесах России — от 41 (Гитарский и др., 2002) до 17% (Сонген и др., 2005) от общей эмиссии.

В литературе отсутствуют также какие-либо сведения о депонировании углерода в лесах Уральского региона, в том числе Оренбургской области, на уровне отдельных лесхозов. Настоящая работа посвящена оценке фитомассы и ее годичного прироста, т. е. углерододепонирующей способности лесных насаждений на лесопокрытых площадях Оренбургской области с принятием в качестве исходной (базовой) единицы расчетов территории отдельного лесхоза.

Исследования автора проводились в 2005;2008 гг. в рамках проектов «Картирование углерододепонирующей емкости лесных экосистем Уральского региона» и «Разработка системы пространственного анализа депонирования углерода лесными экосистемами Уральского региона», гранты РФФИ №№ 04−05−96 083 и 07−07−96 010.

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы была оценка распределения и динамики фитомассы и ее годичного прироста в насаждениях лесопокрытых площадей Оренбургской области с использованием фактических данных о фитомассе и первичной продукции насаждений и материалов Государственного учета лесного фонда (ГУЛФ) с построением соответствующих карт-схем за период с 1983 по 2007 гг.

В связи с поставленной целью конкретные задачи исследования:

• структурировать материалы ГУЛФ (форма 2) по состоянию на 1983, 1993 и 2007 гг. с целью их последующей стыковки с фактическими данными фитомассы и ее годичного прироста на 1 га насаждений;

• сформировать базу данных о фитомассе и ее годичной продукции лесооб-разующих пород уральского региона;

• разработать систему эмпирических регрессионных моделей фитомассы и ее годичной продукции для лесообразующих пород;

• совместить эмпирические модели фитомассы с данными ГУЛФ Оренбургской области по учетам 1983, 1993 и 2007 гг. и проанализировать изменение углеродного пула за данный период;

• совместить эмпирические модели годичной продукции фитомассы с данными ГУЛФ Оренбургской области по учетам 1983, 1993 и 2007 гг.- построить карты-схемы распределения запасов и годичного депонирования углерода на лесопокрытых площадях Оренбургской области.

На защиту выносятся следующие положения: таблицы распределения запаса общей (надземной и подземной) фитомас-сы и ее годичного прироста в насаждениях лесопокрытых площадей на территории 27 лесхозов Оренбургской области, по состоянию на 1983, 1993 и 2007 гг.- карты-схемы распределения углеродного пула и годичного депонирования углерода, отнесенных на 1 га насаждений лесопокрытых площадей Оренбургской области, по состоянию на 1983, 1993 и 2007 гг.- регрессионные зависимости углеродного пула и годичного депонирования углерода, отнесенных на 1 га насаждений лесопокрытых площадей, от гидротермического коэффициента Селянинова, дифференцированные по годам ле-соинвентаризацииметод расчленения приращения запаса фитомассы за 24-летний период на две составляющие: за счет увеличения (а) лесопокрытой площади и (б) продуктивности насаждений.

Научная новизна. Впервые выполнен анализ динамики основных показателей лесного фонда Оренбургской области за последние 24 года, сформирована база эмпирических данных о фитомассе и ее годичной продукции лесообразующих пород и рассчитаны соответствующие эмпирические модели, экстраполированные по материалам ГУЛФ на лесопокрытые площади лесхозов Оренбургской области. Впервые с использованием материалов ГУЛФ выполнено картирование запасов и годичного депонирования углерода на лесопокрытых площадях Оренбургской области на уровне лесхозов за последние 24 года.

Практическая значимость работы состоит в разработке исходной базы для расчета углеродного бюджета лесных экосистем, для реализации систем лесохозяйственных мероприятий, направленных на повышение продуктивности и комплексного освоения лесов Оренбургской области. Результаты работы могут быть полезны при разработке лесного кадастра, осуществлении лесного мониторинга и экологических программ разного уровня.

Разработанные нормативы используются Управлением Федеральной службы по надзору в сфере природопользования (Росприроднадзора) по Оренбургской области и ГУП Оренбургской области «Оренбургский лесхоз».

Обоснованность выводов и предложений. Использование обширного экспериментального материала и современных методов статистического анализа, системный подход при анализе фактических материалов и интерпретации полученных результатов, реализация поставленных задач на уровне рекурсивных регрессионных моделей, использование современной вычислительной техники и адекватных компьютерных программ определяют обоснованность приведенных в диссертации выводов и предложений.

Личное участие автора. Все виды работ по теме диссертации от сбора экспериментального материала до анализа и обработки полученных результатов осуществлены автором или при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты исследований изложены на международной научно-практической конференции «Современные проблемы устойчивого управления лесами, инвентаризации и мониторинга лесов», Санкт-Петербург, 2006; международной научно-технической конференции «Урал промышленный — Урал полярный», Екатеринбург, 2007; международной научной конференции «Биологическое разнообразие азиатских степей», Казахстан, Кустанай, 2007; международной научно-практической конференции «Современное состояние лесного хозяйства и озеленения в республике Казахстан: проблемы, пути их решения и перспективы», Казахстан, Щу-чинск, 2007; Третьем международном научно-практическом интернет-семинаре «Лесное хозяйство и зеленое строительство в Западной Сибири», Томск, 2007; Восьмой международной научно-технической интернет-конференции «Лес-2007», Брянск, 2007; всероссийской научной конференции с международным участием «Новые методы в дендроэкологии», Иркутск, 2007.

Публикации^ Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе 2 — в рецензируемых журналах «Хвойные бореаль-ной зоны» и «Лесной вестник».

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 120 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения и 11 приложений. Список использованной литературы включает 115 наименований, в том числе 24 иностранных. Текст иллюстрирован 12 таблицами и 21 рисунком.

1. На основе сформированной базы данных о фитомассе и ее годичном приросте для лесообразующих пород Оренбургской области разработана сис тема связанных (рекурсивных) уравнений двух уровней. На первом из них структура фитомассы сопряжена со структурой данных ГУЛФ, в результате чего составлена карта-схема распределения углеродного пула по 27 лесхозам на площади 520 тыс. га. На втором уровне структура годичного прироста фи томассы совмещена по рекурсивному принципу не только со структурой дан ных ГУЛФ, но и со структурой фитомассы, т. е. с результатами первого уровня, и составлена карта-схема годичного депонирования углерода, со вмещенная с первой.2. Установлены запасы общей (надземной и подземной) фитомассы на саждений в лесном фонде Оренбургской области, составившие по состояни ию на 1983, 1993 и 2007 гг. соответственно 29,3- 35,1 и 40,5 млн. т, что сви детельствует о закономерном увеличении запаса фитомассы насаждений по всем лесхозам области за период времени с 1983 по 2007 гг. Итоговое по об ласти увеличение фитомассы за период с 1983 по 1993 гг. составило 20%, а за период с 1983 по 2007 гг. 38%. Это увеличение произошло как за счет уве личения лесопокрытои площади, так и за счет повышения продуктивности лесов вследствие снижения объемов рубок и изменения климата.3. Лесопокрытая площадь области в течение 24-летнего периода воз росла на 12%, но по лесхозам это увеличение крайне неравномерное — от 1;

2% на северо-западе области до 335% на юго-востоке. Выявлены статисти чески достоверные зависимости: обратно пропорциональная зависимость увеличения лесопокрытои площади лесхозов от лесистости их территории и прямо пропорциональная связь лесистости территории с гидротермическим коэффициентом Г. Т. Селянинова.4. В результате поискового исследования разработан метод расчлене ния приращения запаса фитомассы за 24-летний период на две составляющие: за счет увеличения (а) лесопокрытой площади и (б) продуктивности на саждений. Общее увеличение фитомассы насаждений на лесопокрытых пло щадях Оренбургской области составило 11,2 млн. т., из них за счет увеличе ния лесопокрытой площади — 1,2 млн т (11%) и за счет повышения продук тивности насаждений — 10,0 млн т (89%). Установлено, что чем ниже леси стость территории лесхоза, тем выше доля приращения фитомассы, произо шедшего за счет увеличения лесопокрытой площади в течение исследуемого периода, и тем ниже доля приращения фитомассы, произошедшего вследст вие повышения продуктивности насаждений на неизменной в течение 24 лет площади.5. Выявлена статистически достоверная регрессионная зависимость углеродного пула на 1 га насаждений лесопокрытых площадей от гидротер мического коэффициента Г. Т. Селянинова, дифференцированная по годам лесоинвентаризации: увеличению гидротермического коэффициента на ве личину 0,1 соответствует возрастание запаса углерода на 1 га общей площади в 1983, 1993 и 2007 гг. соответственно на 7,3- 8,0 и 8,7 т/га.6. Годичный прирост фитомассы на 1 га лесопокрытой площади, взве шенный по доле участия пород в лесном фонде, запасу стволовой древесины и общей фитомассе и по величине занимаемой лесопокрытой площади, варь ирует по лесхозам в довольно широком диапазоне — от 1,6 до 8,9 т/га и соста вил в среднем по области в 1983, 1993 и 2007 гг. соответственно 6,6- 7,0 и 7,2 т/га, а величина годичного депонирования углерода в фитомассе — соответст венно 3,3- 3,5 и 3,6 т/га.7. Итоговый по 27 лесхозам годичный прирост фитомассы на всей ле сопокрытой площади в лесах Оренбургской области составил по состоянию на 1983, 1993 и 2007 гг. соответственно 2,4- 2,7 и 2,9 млн. т, а годичное де понирование углерода в фитомассе — 1,20- 1,35 и 1,45 млн. т., т. е. увеличение за 24 года составило 21%. Возможной причиной увеличения годичного при роста фитомассы лесов Оренбургской области является изменение климатических условий, а также увеличение доли молодняков в лесопокрытои пло щади. Данные по годичному депонированию углерода получены для Орен бургской области впервые.8. Установлена статистически достоверная регрессионная зависимость годичного депонирования углерода на 1 га насаждений лесопокрытых пло щадей от гидротермического коэффициента Г. Т. Селянинова, дифференци рованная по годам лесоинвентаризации: увеличению гидротермического ко эффициента на величину 0,1 соответствует возрастание годичного депониро вания углерода на 1 га общей площади в 1983, 1993 и 2007 гг. соответственно на 0,57- 0,61 и 0,64 т/га и относительного показателя годичного депонирова ния углерода соответственно на 19, 39 и 58%, что, возможно, связано с по следовательным возрастанием доли молодняков в лесопокрытои площади по градиенту гидротермического коэффициента в результате интенсивных лесо культурных работ.9. Расхождения в оценках депонирования углерода лесами продолжают оставаться значительными, как в целом по России, так и по ее отдельным ре гионам, и необходимо дальнейшее сопоставление и уточнение применяемых методических подходов.